Реакції, які розглядалися раніше (обмінні, гідроліз), перебігають без зміни ступеня окиснення елементів.
Реакції, в яких ступінь окиснення елементів не змінюється, називаються реакціями невалентних перетворень..
Пригадаємо поняття валентність і ступінь окиснення.
Ступінь окиснення – умовний заряд, який мав би атом, якби електрони всіх його зв'язків з рештою атомів були зміщені до більш електронегативного елемента.
Тобто рід ступенем окиснення розуміють електричний заряд атома, розрахований виходячи з допущення, що дана сполука складається з іонів. Тому ступінь окиснення може бути як позитивним, так і негативним. Ступінь окиснення позначають арабськими цифрами із знаком «+» або «-» перед числом і пишуть над символом елемента: Н+, Na+, Cl-, Mg2+, P5+. Ступінь окиснення можна приписувати елементам як в іонних, так і в ковалентних сполуках.
Чисельне значення ступеня окиснення визначається декількома правилами. 1. Ступінь окиснення дорівнює:
- вільного елемента: 0 (О2 - 0, Р5 - 0);
- одноатомного простого іона: рівний заряду іона (Cl -);
- атома водню в сполуках з неметалами: +1;
- атома кисню (окрім Н2О2 -1 і ОF2 +2): -2;
- атома фтору (самий електронегативний): -1;
- лужних металів у всіх сполуках: +1;
- лужноземельних металів у всіх сполуках: +2;
- атома алюмінію: +3.
2. Сума ступенів окиснення всіх елементів в сполуці дорівнює нулю.
3. Ступінь окиснення елемента, що утворює оксоаніон дорівнює (2*число атомів кисню в оксоаніоні) мінус абсолютне значення заряду іона:
MnO4– іон (2*4)-1=7
Поняття ступінь окиснення не треба прирівнювати до поняття валентність, навіть коли вони чисельно співпадають.
Валентність – це число електронів, що використовуються атомом при утворенні хімічного зв'язку.
Валентність атома рівна числу електронів, що втрачаються ним при утворенні катіона або приєднуваних до нього при утворенні аніона. Валентність атомів в ковалентній молекулі дорівнює числу електронів, узагальнених ним при утворенні зв'язків з іншими атомами.
Валентності завжди дорівнюють невеликим цілим числам. Негативної валентність не буває, окрім інертних газів, які в звичайних умовах не утворюють сполук з іншими елементами.
Іноді валентності чисельно співпадають із ступенем окиснення, але частіше не співпадають. Особливо чітко це видно на прикладі органічних сполук.
Наприклад: валентність вуглецю в сполуках майже завжди 4, а ступінь окиснення змінюється від –4 до +4: Метан СН4 (-4); хлорметан СН3Cl (-2); дихлорметан CH2Cl2 (0); тетрахлорметан CCl4 (+4).
Повернемося до поняття «ступінь окиснення». Не зважаючи на формальний характер, він широке використовується в класифікації хімічних процесів, при розгляді окислювально-відновних здібностей речовин, при розрахунках коефіцієнтів в окисно-відновних реакціях.
Окисно-відновними реакціями називаються процеси, в яких електрони переходять від атомів одного елемента до атомів іншого. Ці реакції супроводжуються зміною ступеня окиснення елементів.
В окисно-відновних реакціях зміна ступеня окиснення обумовлена зсувом або повним переходом електронів від атома одного елемента до атома іншого елемента.
Наприклад: 2Н20 + О20 = 2Н2+1О-2
Реакція супроводжується переходом двох електронів від атомів гідрогену до оксигену і останній отримує стабільну електронну конфігурацію s2p6, переходячи в іон О-2. Атоми гідрогена одержують позитивний заряд. Таким чином, окисно-відновна реакція супроводжується перенесенням електронів.
Процес втрати частинкою електронів називається окисненням, а процес приєднання електронів – відновленням. При окисленні атома елемента або іона відбувається зростання його ступеня окиснення: Fe+2 + e = Fe3+. При відновленні атома або іона відбувайся зменшення його ступеня окиснення: Си2++ 2е=Си0.
В хімічних реакціях ці два процеси відбуваються одночасно і тому окисно-відновні реакції є єдністю двох протилежних тенденцій, тобто в наявності чітке дотримання закону збереження матерії.
Речовини, що містять елементи, які приєднують електрони, називаються окисниками. Речовини, в яких елементи віддають електрони, називаються відновниками.
До окисників відносяться речовини, що мають тенденцію до приєднання електронів. Всі окисники містять елемент, електронна конфігурація якого не стабільна, а для утворення стійкої конфігурації (наприклад: s2p6) не вистачає одного або декількох електронів.
Окисники приєднують бракуючі електрони і знижують свій ступінь окиснення.
До окисників відносяться: кисень, галогени, кисневмісні кислоти, хлор, бром і їх солі, азотна кислота і її солі, марганцева кислота і її солі,сполуки деяких металів у вищих ступенях окиснення (K2Cr2O 7 ,PbO2,,Fe3+), концентрована сульфатна кислота, перекис водню.
До відновників відносяться речовини, здатні віддавати електрони. Тобто у них електронна конфігурація повинна бути нестійкою.
Легше віддають електрони ті елементи, конфігурація електронів в яких s1 або s2, тобто ті, що знаходяться на початку періодичної системи.
До відновників відносяться: водень, метали, сірководень і його солі, солі Fe2+, тобто речовини, які містять атоми в низьких ступенях окиснення.
Речовини з атомами в проміжних ступенях окиснення, можуть бути як окисниками, так і відновниками: SO2, H2SO3.
До окисно-відновних можуть бути віднесений реакції наступних типів:
1. металів з неметалами:
2. металів з кислотами:
3.металлов з водою:
4. заміщення (витіснення):
5. реакції між двома речовинами, що знаходяться у вищому і нижчому ступенях окиснення:
Всі перераховані реакції можуть бути розділений на три типи:
1. міжмолекулярної взаємодії: окисник і відновник належать різним молекулам
2. внутрішньо молекулярної взаємодії: окисником і відновником є елементи однієї молекули:
3.диспропорционування або самоокиснення-самовідновлення: один і той же елемент є і окисником і відновником, тобто він і підвищує і знижує свій ступінь окиснення:
При складанні рівнянь окисно-відновних реакцій застосовують два методи:
- метод електронного балансу (його часто застосовують в школі);
- іонно-електронний метод.
В методі електронного балансу підрахунок числа приєднаних електронів робиться на підставі знань ступенів окиснення елементів до і після реакції
При складанні рівнянь окисно-відновних реакцій, що протікають у водних розчинах правильніше користуватися іонно-електронним методом. Цей метод базується на складанні окремих рівнянь реакцій відновлення іона або молекули і окиснення іона або молекули з подальшим складанням цих реакцій в одне загальне. Для цього необхідна іонна схема: сильні електроліти пишуть у вигляді іонів; слабкі електроліти, осади і гази у вигляді молекул. Ті іони, які не зазнають змін в результаті реакції в іонну схему не вносяться.
Порядок складання іонних рівнянь окисно-відновних реакцій
1. скласти іонну схему реакції
2. скласти електронне рівняння процесу окиснення і процесу відновлення так, щоб сума алгебраічнихзарядів зліва і праворуч від знака рівності була однаковою
3. знайти коефіцієнти для окисника і відновника, враховуючи, що число електронів, що втрачаються відновником, повинне дорівнювати числу електронів, приєднуваних окисником.
4. скласти електронні рівняння, заздалегідь помноживши їх на знайдені коефіцієнти.
Приклад окисно-відновної реакції з участю солі безкисневої кислоти:
Окисно-відновні реакції часто протікають між іонами або молекулами, які містять оксиген. В результаті змінюється вміст кисню в молекулах окисника і відновника.
В цьому випадку в рівнянні реакції з'являються іони Н+ або ОН -, тобто ми говоримо про те, що дана реакція перебігає в якомусь середовищі: кислому (іони Н+), лужному (іони ОН -), нейтральному (молекули Н2О).
Перевірити, чи правильно розставлені коефіцієнти в рівнянні можна по кількості атомів оксигену зліва і справа від знака рівності.
Якщо окисно-відновний процес перебігає в лужному середовищі, в схему для створення середовища додається луг.
Якщо до вихідних речовин не додається ні кислота, ні луг, то вважають, що окисно-відновна реакція проходить в нейтральному середовищі. В цьому випадку в лівій частині схеми враховується вода
Деякі особливі випадки окисно-відновних реакцій
- реакції диспропорціонування
реакції, ускладнені утворенням солей
- реакції з участю гідроген пероксиду
